Электродуговое напыление

В зависимости от источника энер­гии для нагрева и транспортировки частиц материала покрытия разли­чают следующие способы напыления: электродуговое, газопламенное, вы­сокочастотное, плазменное, детона­ционное и упрочнение конденсацией металла с ионной бомбардировкой.

Процесс характеризуется тем, что получение расплава осуществляется в результате тепла электрической ду­ги, горящей между двумя электрод­ными проволоками, а распыление осуществляется струей сжатого воз­духа (рис. 9.2). Металл распыляется до частиц размером 10 — 50м км, тол­щина получаемого слоя может дости­гать 12 мм и выше. Однако его проч­ность и устойчивость к динамическим нагрузкам низкая. К другим недостаткам следует отнести перегрев и окисление напыляемого материала и выгорание легирующих элементов присадочного металла. Например, содержание углерода в сплаве по­крытия снижается на 40 — 60%, а кремния и марганца — на 10— 15 %. К достоинствам электродугового напыления относится высокая произ­водительность процесса (до 65 кг/ч), высокая износостойкость покрытия, а также простота и технологичность процесса.

Восстановление деталей электро­дуговым напылением включает под­готовку поверхности к нанесению по­крытия, непосредственно напыление и последующую механическую обра­ботку. Напыление как бы состоит из трех процессов: перевода электрод­ной проволоки в жидкую фазу, рас­пыление расплава струей воздуха и формирование покрытия. Процесс плавления металла электродной про­волоки характеризуется высокой температурой горения электриче­ской дуги, цикличностью и скоротеч­ностью явлений, протекающих в зоне плавления. При плавлении проволо­ки в процессе электродугового напыления происходят следующие циклы явлений:

горение пути между электродами и плавление их;

первый разрыв электрической це­пи электродов;

короткое замыкание и дальнейшее плавление электродов;

искровой разряд, зажигающий но­вую дугу.

Расплавление материала электро­дов происходит и в момент горения и короткого замыкания дуги. В момен­ты разрывов электрической цепи электродов плавление металла не происходит. Длительность каждого из указанных циклов составляет ты­сячные доли секунды. Длительность периода горения дуги при работе электродугового металлизатора на переменном токе составляет 43 — 49,5 % от длительности цикла всех явлений. Поэтому температура жид­кого сплава при различных рассмотренных циклах различна. Наиболее высокая температура будет при горе­нии дуги. Это благоприятно сказыва­ется на образовании большого числа мелкодисперсных частиц металла. В то же время при коротком замыкании температура расплава будет более низкая, и распыл получается с части­цами более крупными.

На структуру и свойства слоя значи­тельное влияние оказывает скорость движения частиц, их масса и разме­ры, температура во время полета. Большинство этих факторов зависит от режимов электродуговой металли­зации.

Скорость металловоздушной струи так же, как и температура частиц, из­меняется от зоны плавления до вос­станавливаемой (упрочняемой) по­верхности. Например, скорость час­тиц от небольшой начальной скоро­сти, равной 18,8 м/с, увеличивается до максимальных значений, а затем по мере удаления от источника тепла уменьшается. Ориентировочно мож­но считать максимальную скорость частиц распыленной стали не менее 190 м/с. Конечная скорость полета частиц на расстоянии 250 мм от сопла металлизатора составляет около 85 м/с, а время нахождения частиц в воздухе не более 0,003 с. Высокая ско­рость и малое время полета распы­ленных частиц металла позволяют им достигать поверхности детали, бу­дучи в пластическом состоянии. Так, температура части металла по оси струи на расстоянии от сопла аппа­рата, равном 50 мм, составляет 1030 °С, а на удалении 200 мм — 900 "С.

Высокая конечная скорость полета частиц металла, обладающих боль­шим запасом кинетической энергии, способствует плотному контакту час­тиц с микрорельефом поверхности детали и между собой. Увеличению контактной поверхности способству­ет пластическое состояние частиц. Некоторое влияние на снижение контактной прочности оказывает окис­ление восстанавливаемой (упрочняе­мой) поверхности, а также металли­ческих частиц в процессе полета и на­несения их на деталь. Известно, что Окислы являются более хрупкими, чем металл, и в этой связи снижают прочность нанесенного слоя. При ис­пользовании, например, в качестве транспортирующего газа азота проч­ность металлизационных покрытий заметно увеличивается, благодаря уменьшению содержания в них окис­лов.

Промышленностью серийно выпу­скается комплект оборудования для электродуговой металлизации КДМ-2, в который входят два электрометаллизационных аппарата ЭМ-14М,специализированный тиристорный источник питания ТИМЕЗ-500 с пультом управления и блоком кассет.

Характеристики комплекта а также наиболее широко используе­мых стационарных электро дуговых, металлизаторов ЭМ-12.И ЭМ-1,5 приведены в табл. 9.1.

Электродуговое напыление ис­пользуют для антикоррозионной за­щиты алюминием и цинком различ­ных вместимостей, труб и металло­конструкций. Для восстановления деталей данный способ напыления нашел более широкое распростране­ние за рубежом. Например, в Герма­нии все разновидности коленчатых валов карбюраторных и дизельных двигателей восстанавливают элект­родуговой металлизацией. Такие коленчатые валы по износостойкости не уступают новым.

Таблица 9.1. Техническая характеристика оборудования для электродугового напыления

На отечественных ремонтных пред­приятиях внедрен технологический процесс восстановления приварочной плоскости головок цилиндров, в основу которого положен способ электродуговой металлизации. На 4-м Горловском ПО"Авторемонт" орга­низован специализированный уча­сток восстановления напылением привалочной плоскости головок ци­линдров двигателей ЗМЗ-53. Для металлизации используют проволоку Св-Ак-5диаметром 2 мм. Режим ме­таллизации: ток дуги — 300 А, напряжение — 28 — 32 В, давление сжато­го воздуха — 0,4 — 0,6 МПа, дистан­ция металлизации — 80 — 100 мм; источник питания — ВДГИ-301, электрометаллизатор — ЭМ-12. Ис­пользуемая технология достаточно надежна, положительный результат получен при изменении давления сжатого воздуха в широких пределах, что особенно важно для реальных производственных условий. Толщина наносимого слоя — до 5 мм, продол­жительность операции —8 — 10 мин.

Установка для электродуговой ме­таллизации головок цилиндров пред­ставляет собой закрытую камеру с установленным в ней аппаратом мо­дели ЭМ-12. Головка блока цилинд­ров двигателя ЗМЗ-53 монтируется к перемещается в специальной кассе­те. Производительность установки — до 25 головок в смену. Потребляемая мощность — не более 10,8 кВт. Сжа­тый воздух подвергается двойной очистке, проходя через два масловлагоотделителя.

При обследовании головок цилинд­ров, восстановленных способом элек­тродугового напыления и повторно поступающих в ремонт, выявлено следующее: отсутствует отслоение покрытий от деталей и прогар покры­тий, а также подтекание охлаждаю­щей жидкости под покрытие. Корро­зионная стойкость покрытий не ниже, чем у основного металла.

Себестоимость восстановления го­ловок цилиндров двигателя ЗМЗ-53, восстановленных описанным спосо­бом, составляет 28,5 % от стоимости новых головок.